基于優(yōu)化粗粒級(jí)固體燃料賦存形態(tài)的鐵礦燒結(jié)過程N(yùn)Ox減排

闕志剛，吳勝利，艾仙斌

1) 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)學(xué)院，北京 100083 2) 江西省科學(xué)院能源研究所，南昌 330096

NOx作為光化學(xué)煙霧、酸雨、霧霾等污染現(xiàn)象形成的主要元兇之一，其嚴(yán)重危害人類健康和社會(huì)發(fā)展.鋼鐵行業(yè)作為NOx排放大戶，據(jù)《2015年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，僅2015年其NOx排放量達(dá)55.1萬噸，位居全國(guó)各工業(yè)排放源前列，而鐵礦燒結(jié)工序作為鋼鐵工業(yè)NOx排放的主要來源，其占比高達(dá)50%[1?3].在此背景下，一方面，國(guó)家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求現(xiàn)有鋼鐵企業(yè)燒結(jié)機(jī)排放的煙氣中，氮氧化物（以NO2計(jì)）的排放濃度嚴(yán)格限制為300 mg·m?3；另一方面，《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)稅法》規(guī)定，自2018年1月1日起，直接向環(huán)境排放污染物的企事業(yè)單位和其他生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者為環(huán)境保護(hù)稅的納稅人，應(yīng)當(dāng)依法繳納環(huán)境保護(hù)稅，且我國(guó)多省份環(huán)保部門均大幅提高氮氧化物排放的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn).因此，在高壓環(huán)保態(tài)勢(shì)和高額環(huán)境保護(hù)稅下，鋼鐵企業(yè)減少鐵礦燒結(jié)工序NOx排放迫在眉睫.

根據(jù)鐵礦石燒結(jié)過程N(yùn)Ox形成機(jī)理可知[4?7]，鐵礦燒結(jié)工序NOx主要由固體燃料中含氮有機(jī)官能團(tuán)（Fuel-N）在高溫下與氧氣反應(yīng)形成，亦稱為燃料型NOx，且95%以上為NO.而Hida等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)料層內(nèi)固體燃料主要是以被覆型（焦粉粗顆粒表面被覆粘附粉）、外包型（焦粉和粘附粉組成的混合細(xì)粉覆蓋于鐵礦粉粗顆粒表面）、球團(tuán)型（焦粉和粘附粉組成的混合細(xì)粉自成球）等形式存在，且三種賦存形態(tài)的比例分別為70%、25%和5%.另外，可通過燒結(jié)技術(shù)調(diào)控使粗顆粒燃料轉(zhuǎn)變?yōu)槁懵缎?針對(duì)上述四種賦存形態(tài)，Ohno等[9?12]研究了其燃燒速率和周圍的溫度分布，而Zhou等[13?14]則研究了反應(yīng)溫度和循環(huán)煙氣成分對(duì)上述四種燃料燃燒過程的NOx排放的影響，但是均對(duì)其燃燒行為與NOx排放之間的關(guān)系并未進(jìn)行深入研究.此外，雖然Kasai等[15]研究了被覆型和球團(tuán)型賦存形態(tài)對(duì)燒結(jié)NOx排放和燒結(jié)產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的影響，但由于固體燃料主要為粗顆粒，在實(shí)際燒結(jié)過程中可在不改變固體燃料粒度的條件下，通過燃料分加或分割制粒等方法較易調(diào)控粗粒級(jí)固體燃料為裸露型或被覆型賦存形態(tài)，而目前缺少上述兩種賦存形態(tài)對(duì)燒結(jié)NOx排放和產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的影響規(guī)律，導(dǎo)致難以有效減少燒結(jié)工序NOx排放.基于此，本研究擬針對(duì)粗粒級(jí)固體燃料，分別研究其為裸露型和被覆型時(shí)的燃燒行為及其對(duì)NOx排放的影響規(guī)律，同時(shí)通過優(yōu)化配加模式，考察調(diào)控其賦存形態(tài)對(duì)燒結(jié)NOx排放和固結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行燒結(jié)杯中式實(shí)驗(yàn)，探究兼顧NOx減排和燒結(jié)產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的適宜粗粒級(jí)固體燃料賦存形態(tài).

1 原料條件及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原料條件

本研究選取國(guó)內(nèi)某鋼鐵廠燒結(jié)常用焦粉作為研究對(duì)象，其工業(yè)分析、元素分析和著火溫度，以及低位熱值如表1所示，其粒度組成見表2所示.

從表1中可以看出，焦粉中N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.97%，且其著火溫度約為563 ℃.此外，從表2中可以看出，焦粉的大粒度和小粒度比例均較少，且其平均粒度僅為1.48 mm.根據(jù)Hida等[8]研究結(jié)果表明，在燒結(jié)料層內(nèi)固體燃料主要以被覆型、外包型、球團(tuán)型等形式存在，且其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為70%、25%和5%.對(duì)于焦粉而言，其＞0.5 mm粒級(jí)所占比例達(dá)到68.7%，與被覆型焦粉所占比例焦粉接近，而小于0.5 mm比例為31.3%，則是外包型和球團(tuán)型的累加.由此可知，在實(shí)際燒結(jié)過程中焦粉＞0.5 mm粒級(jí)均可作為核顆粒.

表1 焦粉的化學(xué)成分、熱值及著火溫度Table 1 Chemical composition, low calorific value, and ignition temperature of coke breeze

表2 焦粉的粒度組成Table 2 Size distribution of coke breeze

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 燃燒實(shí)驗(yàn)

根據(jù)焦粉粒度分布及其賦存形態(tài)可知，焦粉中主要為粗粒級(jí)，且在燒結(jié)料層內(nèi)主要以被覆型存在，而在實(shí)際燒結(jié)過程中，通?？赏ㄟ^粗粒級(jí)分加以調(diào)控粗粒級(jí)燃料由被覆型轉(zhuǎn)變?yōu)槁懵缎?基于此，為了研究實(shí)際燒結(jié)過程中粗粒級(jí)固體燃料的燃燒行為及其對(duì)NOx排放的影響規(guī)律，本論文采用可視化微型燒結(jié)裝置模擬實(shí)際燒結(jié)料層內(nèi)粗粒級(jí)焦粉燃燒過程，其示意圖如圖1所示.具體操作步驟如下：首先，實(shí)驗(yàn)前按照10 ℃·min?1的升溫速率將爐膛加熱至目標(biāo)溫度（熱電偶?1顯示目標(biāo)溫度）；其次，分別將焦粉粗顆粒和焦粉粗顆粒被覆Al2O3純?cè)噭⒔狗鄞诸w粒+旁邊置放鐵酸鈣小球、焦粉粗顆粒被覆鐵酸鈣細(xì)粉等四種準(zhǔn)顆粒（如圖2所示），置于底部鋪有孔洞的石英片和直徑為2 mm氧化鋁小球（2-3層，均勻氣流）的石英杯（內(nèi)徑為20 mm，高度為27 mm）中，其中，為了便于觀察焦粉粗顆粒的行為，本論文選擇6.3～8.0 mm焦粉粗顆粒（0.2 g）作為研究對(duì)象，且由于Al2O3對(duì)焦粉燃燒過程CO和NO的生成無影響[15]，故選作為空白對(duì)照.而為更貼近實(shí)際燒結(jié)過程液相融化過程，選擇鐵酸鈣細(xì)粉（CF：Fe2O3純?cè)噭┡cCa（OH）2純?cè)噭┠柋葹?∶1）作為粘附粉，CF小球和粘附粉質(zhì)量均為0.6 g；再者，通過調(diào)控傳動(dòng)裝置以不同速率將焦粉逐漸送至高溫區(qū)，傳動(dòng)裝置以電機(jī)作為傳動(dòng)動(dòng)力，進(jìn)行橫向傳動(dòng)，開始以7 cm·min?1勻速到達(dá)高溫區(qū)，并在恒溫區(qū)保持不動(dòng)，之后以9.8 cm·min?1退出高溫區(qū)，該過程中熱電偶?2所示溫度如圖3所示，且該過程焦粉在全程2 L·min?1，空氣氣氛下進(jìn)行燃燒，同時(shí)開啟紅外氣體分析儀（德國(guó)MRU公司OPTIMA 7）在線測(cè)試系統(tǒng)，記錄不同粒級(jí)焦粉燃燒過程各主要?dú)怏w成分的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律.

1.2.2 固結(jié)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)國(guó)內(nèi)某大型鋼廠實(shí)際燒結(jié)混合料中各物質(zhì)的配比及其粒度分布，分別如表3和表4所示.一般認(rèn)為在燒結(jié)混合料制粒過程中，含鐵原料和熔劑中＞1.0 mm粒級(jí)作為核顆粒，＜0.5 mm粒級(jí)作為粘附粉，而0.5～1.0 mm粒級(jí)稱為中間顆粒，既不做核顆粒亦不做粘附粉.基于此，為了模擬實(shí)際燒結(jié)過程，在實(shí)驗(yàn)過程中，分別使用1.8～2.0 mm粒級(jí)和＜0.15 mm粒級(jí)分別代替實(shí)際燒結(jié)過程中含鐵原料和熔劑的＞1.0 mm和＜0.5 mm粒 級(jí)，而0.5～1.0 mm粒級(jí)保持不變.此外，燒結(jié)礦的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.80%，堿度為1.80，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.70%，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.70%.按照表3中各物質(zhì)的配比，在微型圓盤造球機(jī)造球后，將準(zhǔn)顆粒置于100 ℃烘箱中干燥2 h后，裝入石英杯中，并采用圖1所示微型燒結(jié)裝置，按照?qǐng)D2所示溫度制度和全程為2 L·min?1空氣氣氛進(jìn)行固結(jié)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)開啟紅外氣體分析儀在線測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)定不同粒度焦粉燃燒過程各氣體體積分?jǐn)?shù)和燒結(jié)體固結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律.

圖1 可視化微型燒結(jié)燃燒裝置Fig.1 Schematic diagram of the visible micro sintering and combustion equipment

圖2 燃燒實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)顆粒試樣Fig.2 Quasi-particles samples of combustion test

圖3 燃燒實(shí)驗(yàn)的溫度制度和氣氛Fig.3 Temperature system and atmosphere of combustion test

為了明晰不同粒級(jí)焦粉在燒結(jié)料層內(nèi)的燃燒行為及其NOx排放特征，本研究通過使用焦粉的燃燒速率、各氣體排放總量、NO最大體積分?jǐn)?shù)、N轉(zhuǎn)化率（ηN）等指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行表征，其計(jì)算公式如式（1）～（4）所示.

表3 燒結(jié)混合料中各物料配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 3 Proportions of raw materials in sinter mixture %

表4 燒結(jié)混合料中各物料的粒度組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 4 Size composition of raw materials in sinter mixture %

式中：νt為焦粉燃燒過程t時(shí)刻C元素的燃燒比例，s?1；SNO、SCO分別為燃燒全程N(yùn)O、CO氣體的排放總量，mg；ηN為燃燒全程焦粉中N元素轉(zhuǎn)化為NO的比例，%；分別為焦粉燃燒過程t時(shí)刻排放煙氣中CO2、CO、NO氣體的體積分?jǐn)?shù)，%；Fg為實(shí)驗(yàn)過程中空氣流量，2 L·min?1；tend為燃燒結(jié)束時(shí)間，s；mcoke為實(shí)驗(yàn)過程中焦粉的質(zhì)量，g；ωC, coke為焦粉中C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ωN, coke為焦粉中N元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；MC為C元素的摩爾質(zhì)量，12 g·mol?1；MN為N元素的摩爾質(zhì)量，14 g·mol?1；MNO為NO的摩爾質(zhì)量，30 g·mol?1；MCO為CO的摩爾質(zhì)量，28 g·mol?1；Vmol為273 K下標(biāo)準(zhǔn)摩爾體積，22.4 L·mol?1.

在實(shí)際燒結(jié)過程中，+5.0 mm燒結(jié)礦主要表征著燒結(jié)礦的成品率，即燒結(jié)礦的粘結(jié)好壞程度，而本論文選擇的落下強(qiáng)度更貼近于燒結(jié)礦的成品率，故本研究選擇從2.0 m高處，自由落下五次后+5.0 mm燒結(jié)體質(zhì)量比作為表征燒結(jié)體固結(jié)強(qiáng)度的指標(biāo)，其計(jì)算公式如式（5）所示.

式中：BS為燒結(jié)體固結(jié)強(qiáng)度，%；m0, sinter為固結(jié)實(shí)驗(yàn)后燒結(jié)體初始質(zhì)量，g；m5為連續(xù)落下5次后+5 mm燒結(jié)體質(zhì)量，g.

2 結(jié)果

2.1 粗粒級(jí)固體燃料的燃燒行為變化規(guī)律

圖4顯示的是不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉的燃燒行為變化規(guī)律.從圖4中可以看出，對(duì)于裸露型焦粉、被覆型焦粉?氧化鋁、裸露型焦粉+CF而言，當(dāng)溫度高于1000 ℃時(shí)焦粉粗顆粒開始劇烈燃燒，表面溫度顯著升高，呈現(xiàn)亮白色.隨著燃燒的進(jìn)行，焦粉粗顆粒逐漸變小，且在恒溫段第5 min中時(shí)基本燃燒盡.然而，就被覆型焦粉?CF而言，當(dāng)溫度高于1000 ℃時(shí)，其表面CF細(xì)粉開始融化，焦粉逐漸由被覆型轉(zhuǎn)變?yōu)槁懵缎停移淙紵俾氏啾扔谇叭N焦粉粗顆粒顯著更快.

2.2 粗粒級(jí)固體燃料燃燒過程N(yùn)Ox排放規(guī)律

圖4 不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉的燃燒行為Fig.4 Combustion behavior of different existing states of coarse coke breeze

圖5顯示的是不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉燃燒過程其NO排放體積分?jǐn)?shù)和N元素轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律.從圖5中可以看出，各賦存形態(tài)粗顆粒焦粉的NO開始生成溫度基本相同，均約為720 ℃，且其排放體積分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值溫度和排放結(jié)束時(shí)間均基本相同.對(duì)于裸露型焦粉、被覆型焦粉-氧化鋁、裸露型焦粉+CF而言，其NO排放體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)“倒V”字型增長(zhǎng)，而被覆型焦粉?CF則呈現(xiàn)“倒W”型增長(zhǎng).就NO排放體積分?jǐn)?shù)和N元素轉(zhuǎn)化率而言，基本均呈現(xiàn)裸露型焦粉最高，被覆型焦粉-氧化鋁和裸露型焦粉+CF略微降低，被覆型焦粉?CF則大幅降低的趨勢(shì).此外，相比于裸露型焦粉，被覆型焦粉?氧化鋁情形下其排放的NO體積分?jǐn)?shù)最大值略有降低，N元素轉(zhuǎn)化率降低約19%，而相比于裸露型焦粉+CF，被覆型焦粉?CF情形下其排放的NO體積分?jǐn)?shù)最大值大幅降低，且N元素轉(zhuǎn)化率降低約56%.由此可知，相比于裸露型焦粉，被覆型焦粉燃燒排放的NO更少，且被覆CF時(shí)NOx減排效果顯著.

圖5 不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉燃燒過程其NO排放規(guī)律Fig.5 NO emission during the combustion of coarse coke breeze in different existing states

3 討論

3.1 固體燃料燃燒速率對(duì)NOx排放濃度的影響規(guī)律

圖6顯示的是不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉的燃燒速率變化規(guī)律.從圖6中可以看出，整體而言，不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉的燃燒速率均呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，開始燃燒溫度和燃燒結(jié)束時(shí)間基本相同，但被覆型焦粉?CF情形的焦粉燃燒速率最大速率顯著高于其他三種情形.此外，對(duì)比NO的開始生成溫度和燃燒結(jié)束時(shí)間及其體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律可知，焦粉粗顆粒的開始燃燒溫度和燃燒結(jié)束時(shí)間與其較為相似，故焦粉粗顆粒燃燒過程其NO排放體積分?jǐn)?shù)可能受其燃燒速率的影響.對(duì)此，本研究進(jìn)一步研究了兩者間的關(guān)系，其結(jié)果如圖7所示.

圖6 不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉的燃燒速率變化規(guī)律Fig.6 Combustion rates of coarse coke breeze in different existing states

圖7顯示得是不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉的燃燒速率與NO體積分?jǐn)?shù)間的關(guān)系.從圖7（a）中可以看出，粗粒級(jí)焦粉周圍為氧化鋁時(shí)，無論是裸露型焦粉，還是被覆型焦粉，其NO排放體積分?jǐn)?shù)均與燃燒速率呈現(xiàn)近似線性正相關(guān)關(guān)系，這主要是由于隨著焦粉燃燒速率的增大，單位時(shí)間內(nèi)燃燒的焦粉增多，生成的NO則增多.然而，從圖7（b）中可以看出，裸露型焦粉+CF情形下其NO排放體積分?jǐn)?shù)仍與燃燒速率呈現(xiàn)近似線性正相關(guān)關(guān)系，但被覆型焦粉?CF情形下焦粉燃燒峰值前期和后期，其NO排放體積分?jǐn)?shù)均與燃燒速率呈現(xiàn)“倒V”字型規(guī)律，這可能是由于焦粉燃燒生成NO的同時(shí)亦會(huì)生成CO[16?19]，而CO在CF作用下其能高效將NO還原成無害化的N2[20?23]，使得NO排放顯著降低.在燃燒峰值前期階段，剛開始燃燒時(shí)，燃燒速率較小，CO生成亦少，但NO生成量高于被還原量，進(jìn)而使得其隨著燃燒速率的增大而逐漸增大，而隨著燃燒速率的增大，不完全燃燒反應(yīng)加劇，CO生成增多，被還原的NO量亦逐漸增多，使得NO體積分?jǐn)?shù)逐漸減少；當(dāng)焦粉燃燒速率達(dá)到最大值時(shí)，生成的NO全部被還原，NO體積分?jǐn)?shù)降為零.同理，經(jīng)燃燒峰值后，燃燒速率逐漸減小，使得被還原NO亦減少，但由于此時(shí)生成的NO仍大于被還原的NO，最終導(dǎo)致其NO體積分?jǐn)?shù)逐漸增大；隨著焦粉的繼續(xù)燃燒，燃燒速率進(jìn)一步降低，生成的NO亦大幅降低，最終導(dǎo)致排放的NO也逐漸降低.綜上可知，NO排放規(guī)律不僅與燃燒速率有關(guān)，亦與CO排放規(guī)律有關(guān).基于此，本論文在3.2節(jié)部分進(jìn)一步研究了CO和NO排放規(guī)律間的關(guān)系.

圖7 不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉的燃燒速率與NO體積分?jǐn)?shù)間的關(guān)系.（a）Al2O3；（b） CFFig.7 Relationship between combustion rates and NO volume fraction of different existing states of coarse coke breeze: (a) Al2O3; (b) CF

3.2 固體燃料燃燒過程CO排放量與N元素轉(zhuǎn)化間的關(guān)系

圖8顯示的是不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉燃燒過程其CO排放及其與N元素轉(zhuǎn)化率間的關(guān)系.從圖8（a）中可以看出，被覆型粗顆粒焦粉燃燒過程其CO排放最大體積分?jǐn)?shù)和總量都顯著低于裸露型粗顆粒情形，且相比于粗粒級(jí)焦粉周圍為Al2O3情形，焦粉周圍為CF時(shí)其燃燒過程其CO排放最大體積分?jǐn)?shù)和總量亦顯著降低.此外，相比于其他賦存形態(tài)，被覆型焦粉?CF下CO排放體積分?jǐn)?shù)及總量均相對(duì)較高，由此推測(cè)燃燒生成的CO可能被用于還原NO.而從8（b）中可以看出，CO排放總量與N元素轉(zhuǎn)化率之間存在著線性正相關(guān)關(guān)系，這是由于CF能促進(jìn)CO還原NO[20?23]，導(dǎo)致生成的CO被消耗，排放的CO減少.由此可知，改善CF與焦粉粗顆粒的接觸動(dòng)力學(xué)，強(qiáng)化CO還原NO反應(yīng)的進(jìn)行，能有效減少NOx排放.

圖8 不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉燃燒過程其CO排放及其與N元素轉(zhuǎn)化率間的關(guān)系.（a） CO排放規(guī)律；（b） CO排放總量與N元素轉(zhuǎn)化率間的關(guān)系Fig.8 CO emission and correlativity of emission total of CO with conversion rate of N element during the combustion of coarse coke breeze in different existing states: (a) CO emission; (b) relation of emission total of CO and conversion rate of N element

4 基于NOx低減的固體燃料粗顆粒適宜配加模式

從上述基礎(chǔ)研究結(jié)果可知，粗粒級(jí)焦粉為裸露型時(shí)，其NOx排放顯著高于被覆型焦粉情形，為了進(jìn)一步明晰不同焦粉粗顆粒賦存形態(tài)對(duì)實(shí)際燒結(jié)過程N(yùn)Ox及其燒結(jié)礦強(qiáng)度的影響規(guī)律，本論文通過分加焦粉粗顆粒（＞0.5 mm）的50%（分加＞1.0 mm粒級(jí)）、100%（分加＞0.5 mm粒級(jí)），以及控制焦粉全部為大粗顆粒（全部為2～3.15 mm）、全部為小粗顆粒（全部為0.5～1.0 mm），研究粗顆粒為裸露型和被覆型對(duì)燒結(jié)過程N(yùn)Ox排放及強(qiáng)度的影響規(guī)律.

圖9顯示的是不同焦粉粗顆粒配加模式下N元素轉(zhuǎn)化率和燒結(jié)固結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律，其中，基準(zhǔn)方案為全粒級(jí)焦粉.從圖9中可以看出，隨著粗粒級(jí)焦粉分加比例的提高，其N元素轉(zhuǎn)化率亦呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，且在分加比例為100%時(shí)，N元素轉(zhuǎn)化率升高約12%，而其燒結(jié)固結(jié)強(qiáng)度則呈現(xiàn)先略微減小后顯著降低的趨勢(shì)，在分加比例為100%時(shí)，燒結(jié)固結(jié)強(qiáng)度降低23%.因此，在兼顧NOx減排和燒結(jié)固結(jié)強(qiáng)度下，實(shí)際燒結(jié)過程中應(yīng)盡量減少分加粗粒級(jí)焦粉.此外，相比于基準(zhǔn)方案，焦粉全部為2.0～3.15 mm時(shí)，其N元素轉(zhuǎn)化率大幅降低16.42%，而焦粉全部為0.5～1.0 mm時(shí)，N元素轉(zhuǎn)化率則略有降低，僅為4.81%，而其燒結(jié)固結(jié)強(qiáng)度則隨著粒度的增大呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，焦粉全部為2.0～3.15 mm時(shí)，燒結(jié)固結(jié)強(qiáng)度升高約8%.由此可知，在實(shí)際燒結(jié)過程可通過控制焦粉粒度，保持焦粉的賦存形態(tài)為被覆型.

5 燒結(jié)杯試驗(yàn)

圖9 不同焦粉粗顆粒配加模式下N元素轉(zhuǎn)化率和燒結(jié)固結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律.（a） N元素轉(zhuǎn)化率；（b） 固結(jié)強(qiáng)度Fig.9 Conversion rate of N element and strength of sinter in different adding methods of coarse coke breeze: (a) conversion rate of N element; (b)strength of sinter

根據(jù)上述基礎(chǔ)研究結(jié)果可知，分加焦粉粗顆粒將導(dǎo)致N元素轉(zhuǎn)化率升高，燒結(jié)體固結(jié)強(qiáng)度降低，而焦粉粒度為全部為大粗顆粒（全部為2～3.15 mm）、全部為小粗顆粒（全部為0.5～1.0 mm）時(shí)，燒結(jié)過程N(yùn)Ox排放和固結(jié)強(qiáng)度均得到不同幅度的改善.基于此，為進(jìn)一步研究實(shí)際燒結(jié)過程中焦粉粗顆粒賦存形態(tài)對(duì)其NOx排放及燒結(jié)產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的影響規(guī)律，本論文參照國(guó)內(nèi)某大型鋼廠實(shí)際燒結(jié)混合料情況，分別研究＞0.5 mm粒級(jí)焦粉粗顆粒全部分加、焦粉粒度控制在0.5～3.15 mm范圍下其對(duì)NOx排放及燒結(jié)產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)的改善效果.根據(jù)表3中各物質(zhì)的配比，將上述燒結(jié)混合料在圓筒制粒后，置于內(nèi)徑為200 mm、高度為500 mm的燒結(jié)杯中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中點(diǎn)火2 min，點(diǎn)火負(fù)壓5 kPa，燒結(jié)負(fù)壓11 kPa.各燒結(jié)杯方案的NOx排放指標(biāo)和燒結(jié)產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)結(jié)果如表5所示.

表5 燒結(jié)杯實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of sinter pot tests

從表5中可以看出，將＞0.5 mm焦粉粗顆粒進(jìn)行分加，其NOx排放體積分?jǐn)?shù)最大值和噸燒結(jié)礦NOx排放升高分別約4%和7%，但其燒結(jié)產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)中除成品率略有降低外，其他產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)均略有改善.此外，將焦粉粒度控制在0.5～3.15 mm范圍內(nèi)，其NOx最大體積分?jǐn)?shù)降低約8%，噸燒結(jié)礦NOx排放則降低約27%，而其燒結(jié)各項(xiàng)產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)均呈現(xiàn)不同幅度的改善.因此，在鐵礦燒結(jié)過程中，為降低燒結(jié)工序NOx排放，可適當(dāng)將焦粉粒度在0.5～3.15 mm范圍內(nèi)，調(diào)控焦粉轉(zhuǎn)變?yōu)楸桓残?，且同時(shí)應(yīng)盡量避免焦粉以裸露型狀態(tài)賦存.

6 結(jié)論

（1）不同賦存形態(tài)粗粒級(jí)焦粉燃燒過程其NOx排放體積分?jǐn)?shù)與燃燒速率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但被覆高溫下可溶性的鐵酸鈣細(xì)粉時(shí)，則兩者間的關(guān)系呈現(xiàn)“倒V”字型關(guān)系，且其由于生成的CO會(huì)直接還原NO，導(dǎo)致CO排放量與N元素轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)良好線性正相關(guān)關(guān)系，故強(qiáng)化高溫下CO還原NO將能減少NOx排放.

（2）相比于裸露型粗粒級(jí)焦粉，在焦粉表面被覆鐵酸鈣細(xì)粉時(shí)，由于其在高溫下熔化，將焦粉由被覆型轉(zhuǎn)變?yōu)槁懵缎?，燃燒速率顯著增加，且鐵酸鈣會(huì)促進(jìn)CO還原NO，使得其CO和NO排放量均顯著降低，故在實(shí)際燒結(jié)過程中應(yīng)均可能改善焦粉與粘附粉的接觸動(dòng)力學(xué)，以促進(jìn)NO還原.

（3）隨著裸露型粗粒級(jí)焦粉比例的增加，N元素轉(zhuǎn)化率逐漸升高，而燒結(jié)固結(jié)強(qiáng)度則逐漸降低，且將＞0.5 mm粒級(jí)焦粉分加，其NOx排放體積分?jǐn)?shù)最大值和噸燒結(jié)礦NOx排放分別降低約4%和7%，且燒結(jié)成品率亦略有降低，故在實(shí)際燒結(jié)過程中應(yīng)盡量避免焦粉以裸露型賦存.

（4）將焦粉粒度調(diào)控在全大粗粒級(jí)（2.0～3.15 mm）和全小粗粒級(jí)（0.5～1.0 mm）下燒結(jié)過程N(yùn)Ox排放體積分?jǐn)?shù)和轉(zhuǎn)化率均降低，燒結(jié)固結(jié)強(qiáng)度得到提高，且前者的改善效果顯著高于后者，而將焦粉粒度控制在0.5～3.15 mm范圍內(nèi)時(shí)，其NOx排放體積分?jǐn)?shù)最大值和噸燒結(jié)礦NOx排放分別降低8%和27%，各項(xiàng)燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量指標(biāo)均得到有效改善.